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Modelagem e simulação da estratificação térmica na camada limite atmosférica
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| Autor | Schuster, Matheus Foschera; |
| Lattes do autor | http://lattes.cnpq.br/8373080014368364; |
| Orientador | Zinani, Flávia Schwarz Franceschini; |
| Lattes do orientador | http://lattes.cnpq.br/8732272690265023; |
| Instituição | Universidade do Vale do Rio dos Sinos; |
| Sigla da instituição | Unisinos; |
| País da instituição | Brasil; |
| Instituto/Departamento | Escola Politécnica; |
| Idioma | pt_BR; |
| Título | Modelagem e simulação da estratificação térmica na camada limite atmosférica; |
| Resumo | As simulações de escoamento do vento na camada limite atmosférica atualmente realizadas, apesar de bem desenvolvidas, muitas vezes desconsideram efeitos como as diferentes condições de estratificação térmica, com o intuito de simplificar os modelos. A estratificação térmica, porém, tem um impacto significativo nos resultados obtidos pela simulação, principalmente em locais onde há grande variação diária ou anual de temperatura. Dessa forma, esta pesquisa buscou elaborar um modelo de CFD para melhor representar o escoamento na camada limite atmosférica simulada em túnel de vento em condições de estratificação térmica. Para isso foi utilizado o software comercial ANSYS Fluent, empregando a metodologia de simulação de grandes escalas (LES – Large Eddy Simulation), com o modelo se submalha de Smagorinsky dinâmico, assim como a modelagem clássica da turbulência (RANS – Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations). A aproximação de Boussinesq foi empregada para representar a convecção natural e a Teoria da Similaridade de Monin-Obukhov para introduzir os efeitos da estratificação atmosférica nos perfis verticais da velocidade e temperatura do escoamento. O modelo desenvolvido foi aplicado na simulação de escoamento sobre uma colina íngreme, e os resultados obtidos foram comparados à dados experimentais de túnel de vento encontrados por Ross et al. (2004), além de ser aplicado ao escoamento sobre o modelo reduzido de uma turbina eólica, para uma análise qualitativa dos impactos da estratificação atmosférica na velocidade e turbulência do escoamento. De forma geral o modelo se comportou bem, e foi capaz de representar os efeitos gerais induzidos pela estratificação de forma satisfatória, sendo possível identificar variações no perfil de velocidade para os diferentes casos de estratificação, além dos impactos do gradiente de temperatura na intensidade turbulenta do escoamento. Os resultados obtidos indicam que a estabilidade atmosférica é um fator importante para o escoamento na camada limite atmosférica, devendo ser levado em consideração para um melhor planejamento de parques eólicos.; |
| Abstract | Simulations of wind flow in the atmospheric boundary layer currently carried out, despite being well developed, often disregard effects such as the different thermal stratification conditions, in order to simplify the models. Thermal stratification, however, has a significant impact on the results obtained by the simulation, especially in places where there is great daily or annual temperature variation. Thus, this research sought to develop a CFD model to better represent the flow in the atmospheric boundary layer simulated in a wind tunnel under thermal stratification conditions. To this end, the commercial software ANSYS Fluent was used, applying the large eddy simulation methodology (LES - Large Eddy Simulation), with the dynamic Smagorinsky sub-grid model, as well as the classical modeling of turbulence (RANS - Reynolds Averaged Navier-Stokes). The Boussinesq approximation was used to represent natural convection and the effects of atmospheric stratification in the vertical profiles of flow velocity and temperature were introduced through the Monin-Obukhov Similarity Theory. The developed model was applied in the simulation of flow over a steep hill, and the results obtained were compared to data from wind tunnel experiments found by Ross et al. (2004), in addition to being applied to the flow over the reduced model of a wind turbine, for a qualitative analysis of the impacts of atmospheric stratification on flow velocity and turbulence. In general, the model behaved well, and was able to satisfactorily represent the general effects induced by thermal stratification, being possible to identify variations in the velocity profile for the different cases of stratification, in addition to the impacts of the temperature gradient on the turbulent intensity of the flow. The results obtained indicate that atmospheric stability is an important factor for the flow in the atmospheric boundary layer, and should be taken into account for a better planning of wind farms.; |
| Palavras-chave | Energia eólica; Camada limite atmosférica; Estratificação térmica; Dinâmica de fluidos computacional; Wind power; Atmospheric boundary layer; Thermal stratification; Computational fluid dynamics; |
| Área(s) do conhecimento | ACCNPQ::Engenharias::Engenharia Mecânica; |
| Tipo | Dissertação; |
| Data de defesa | 2021-09-30; |
| Agência de fomento | CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior; |
| Direitos de acesso | openAccess; |
| URI | http://www.repositorio.jesuita.org.br/handle/UNISINOS/10841; |
| Programa | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica; |
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